范曉震

（山西晉陽(yáng)高速改擴(kuò)建項(xiàng)目管理有限公司，山西 晉城 048000）

當(dāng)前頂推技術(shù)主要有步履式和拖拉式兩種，在拖拉式頂推過(guò)程中梁體會(huì)出現(xiàn)竄動(dòng)，并會(huì)對(duì)永久墩或臨時(shí)支架造成巨大水平力，施工控制難度大。步履式頂推施工時(shí)，在各墩頂布置步履機(jī)，通過(guò)其豎向千斤頂頂起鋼梁多點(diǎn)，再借助其水平千斤頂將鋼梁向前推移，待1 個(gè)步距完成后落回豎向千斤頂，同時(shí)使水平千斤頂回程；重復(fù)以上操作直至頂推過(guò)程完成。步履式頂推機(jī)械化程度高，所施加的水平推力對(duì)摩擦力有平衡作用，故支架和墩柱承受的水平反力小，結(jié)構(gòu)安全。但是因步履式頂推過(guò)程中，梁體每次所到達(dá)的頂升位置不固定，大噸位的鋼桁梁下弦桿不具備承受支反力的能力，橋梁結(jié)構(gòu)受力達(dá)不到要求。

基于此，本文依托鋼桁梁實(shí)例，采用水平輸出力和豎向頂升力協(xié)同控制，將主墩和臨時(shí)墩墩頂支反力控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力安全。

1 工程概況

某跨河橋梁主橋跨徑為72+122+4×240+122+72m，采用雙塔連續(xù)鋼桁梁斜拉橋形式；主梁為高15.5m 的N形桁架，橫向布置3 片主桁。鋼桁梁的材料主要選用Q370qE 高強(qiáng)鋼，邊跨斜拉索區(qū)桿件全部按照節(jié)段形式焊接處理。根據(jù)橋梁所處環(huán)境，主跨鋼梁主要借助架梁吊機(jī)逐節(jié)段懸臂架設(shè)施工。為簡(jiǎn)化吊裝過(guò)程，采用步履式頂推法進(jìn)行邊跨斜拉索鋼桁梁施工。橋型立面布置如圖1 所示。

圖1 橋型立面布置

2 施工方案

該橋梁工程所在河道航運(yùn)頻繁，部分河道寬度僅為12m，浮吊以及規(guī)模較大的運(yùn)輸船舶全部難以進(jìn)場(chǎng)，更不能進(jìn)行梁段運(yùn)輸及吊裝施工。與此同時(shí)，所研究橋梁工程屬于相鄰公路連接段樞紐，施工任務(wù)重，故決定從兩岸岸坡處出發(fā)，逐節(jié)向跨中多點(diǎn)同步頂推。由于鋼桁梁頂推重量較大，提出攜帶加勁弦和不攜帶加勁弦的兩種頂推方案[1]。

2.1 方案1：不帶加勁弦

即主橋頂推跨度為80m，不帶加勁弦頂推，待鋼桁梁頂推合龍后，再展開(kāi)上加勁弦施工。該方案總頂推長(zhǎng)度達(dá)到520m，總頂推重量為20592t，單片主桁頂推時(shí)最大支反力17500kN，桿件受力符合要求，結(jié)構(gòu)安全。在ZQ5 墩布置合龍口。頂推時(shí)，將長(zhǎng)度為90m 的鋼桁梁拼裝平臺(tái)布置在ZQ1～ZQ3 墩間，并按照80m 間距在ZQ2～ZQ8 墩間布置臨時(shí)墩；將120t 跨墩門(mén)吊設(shè)置在鋼桁梁拼裝平臺(tái)頂面，借助該門(mén)吊展開(kāi)長(zhǎng)45m 的桁架式鋼導(dǎo)梁和長(zhǎng)60m 的鋼桁梁拼裝。此后向跨中頂推30m。此后按照要求將30m 長(zhǎng)的鋼桁梁拼接于平臺(tái)尾端，進(jìn)而向跨中向持續(xù)推進(jìn)80m 長(zhǎng)度。此后在每次拼裝好80m 長(zhǎng)度的鋼桁梁后，均向跨中頂推80m，直至合龍。

待鋼桁梁合龍后，通過(guò)公路橋面運(yùn)輸加勁弦，并使用250t 履帶吊架設(shè)，最后通過(guò)頂落梁措施分5 次從中跨向邊跨逐跨合龍。

2.2 方案2：帶加勁弦

即主橋頂推跨度為80m，帶加勁弦頂推，也就是待鋼桁梁和加勁弦整體拼裝后一起頂推合龍?？傢斖崎L(zhǎng)度520m，頂推重量27500t，單片主桁頂推時(shí)最大支反力24500kN；鋼桁梁豎向桿件最大應(yīng)力320.4MPa；應(yīng)力超限桿件共24 根，需增大截面加固。在ZQ5 墩布置合龍口。包括鋼桁梁拼裝、臨時(shí)墩布置、頂推跨度設(shè)置及頂推施工等在內(nèi)的思路與方案1 基本一致。

待鋼桁梁頂推就位后，只在中跨S59-S60 處布置1 個(gè)合龍口，則臨時(shí)墩LS4 頂落梁調(diào)整值最大（為8cm）。

2.3 方案比選

綜合以上分析，不攜帶加勁弦方案在結(jié)構(gòu)安全、施工工藝、施工控制難度、工期、造價(jià)等方面均比攜帶加勁弦方案優(yōu)異[2]，故最終選擇方案1，即不帶加勁弦方案。

表1 鋼桁梁步履式頂推施工方案比選

3 施工要點(diǎn)

3.1 頂推設(shè)備

由φ1520mm×20mm 鋼管立柱和φ1800mm 鉆孔樁構(gòu)成臨時(shí)墩，并在立柱頂部設(shè)置滑道梁和分配梁，滑道梁由三層梁疊放設(shè)置，層間栓接；內(nèi)嵌式平臺(tái)全部布設(shè)在滑道梁兩側(cè)，主要作為空間放置步履機(jī)。

桁架結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)梁設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為45m。當(dāng)鋼桁梁懸臂達(dá)到最大時(shí)，導(dǎo)梁前部存在較大程度的下?lián)?，必須借助千斤頂、墊塊或增設(shè)鼻梁等方式頂升鋼桁梁。該橋梁主要借助預(yù)拋高，通過(guò)縮小上弦桿長(zhǎng)度，達(dá)到預(yù)抬導(dǎo)梁及上墩的效果。桁架導(dǎo)梁共上墩6 次，由此也得到6 個(gè)計(jì)算工況。結(jié)合有限元分析結(jié)果，在全面分析施工荷載、鋼桁梁預(yù)拱、結(jié)構(gòu)自重等情況下，第2 次上墩受力處于最為不利狀況，導(dǎo)梁前端發(fā)生的下?lián)现蹈哌_(dá)18cm。采取預(yù)拋高等處治措施并使預(yù)制上弦桿的長(zhǎng)度減小6cm后，導(dǎo)梁前端預(yù)抬高度達(dá)到20cm＞18cm，故預(yù)抬導(dǎo)梁及上墩效果較好。

鋼桁梁多點(diǎn)頂推通過(guò)步履機(jī)和滑塊的結(jié)合實(shí)現(xiàn)。頂推系統(tǒng)由布置于滑道梁頂面的2 套步履機(jī)和1 個(gè)滑塊組成；每套步履機(jī)由2 臺(tái)150t 橫向水平千斤頂、1 臺(tái)150t縱向水平千斤頂、1 臺(tái)1500t 豎向千斤頂組成，單次頂推行程可達(dá)到0.6m。兩套步履機(jī)之間布置滑塊。

3.2 頂推施工

在拼裝平臺(tái)上將鋼桁梁節(jié)段焊接好后展開(kāi)頂推施工，1 個(gè)頂推輪次包括4 個(gè)節(jié)段。重復(fù)展開(kāi)以上相關(guān)操作程序，直至鋼桁梁頂進(jìn)10m 長(zhǎng)度。由步履機(jī)豎向千斤頂同步起頂至10000kN，并使鋼桁梁底部從滑塊所在位置起離，此后，鋼桁梁的結(jié)構(gòu)重量瞬間轉(zhuǎn)向豎向千斤頂，并主要由該千斤頂承擔(dān)，滑塊所對(duì)應(yīng)的支撐力瞬時(shí)消除。借助卷?yè)P(yáng)機(jī)將滑塊后拖10m 至初始位置，結(jié)束節(jié)間頂推循環(huán)。

鋼桁梁支反力包括滑塊支撐力和步履機(jī)豎向千斤頂頂升力兩部分，其受力分配主要與滑道梁安裝精度有關(guān)。對(duì)于該跨河大橋鋼桁梁頂推施工而言，應(yīng)將滑道梁安裝偏差控制在5cm 以?xún)?nèi)時(shí)，將寬度和順直度偏差控制在2mm 以?xún)?nèi)，平整度偏差則控制在0.3mm 以下。

3.3 水平輸出力與豎向頂升力控制

步履機(jī)頂升步伐較小，無(wú)法滿足鋼桁梁受力，為此項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)多方論證后提出，水平輸出力與豎向頂升力協(xié)同控制技術(shù)[3]。

（1）水平輸出力控制

為確保鋼桁梁和墊梁間所產(chǎn)生的靜摩阻力值不小于步履機(jī)豎向千斤頂?shù)撞克尫诺撵o摩阻力，同時(shí)將兩個(gè)摩阻力值的差控制在頂推水平力以上，必須選用較大摩擦系數(shù)的墊梁抄墊介質(zhì)，同時(shí)選用較小摩擦系數(shù)的千斤頂?shù)撞砍瓑|介質(zhì)。

為此，對(duì)皮帶板、橡膠板、不銹鋼板、四氟板間的摩擦系數(shù)展開(kāi)試驗(yàn)，以選擇合適的抄墊介質(zhì)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，普通鋼板和橡膠板間摩擦系數(shù)為0.57，摩擦系數(shù)較大，但剪切變形也不小（為10mm），不利于頂推質(zhì)量控制。普通鋼板和皮帶板間剪切變形小（為1mm），摩擦系數(shù)為0.28，可充分發(fā)揮摩阻力效果。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最終決定在千斤頂?shù)撞吭O(shè)置工程塑料合金板抄墊介質(zhì)，在墊梁頂面設(shè)置皮帶板作為抄墊介質(zhì)。如此設(shè)置后，單臺(tái)步履機(jī)可提供770kN 的水平輸出力，安全系數(shù)為1.45，完全符合要求。

（2）豎向頂升力控制

按照0.6m 的設(shè)計(jì)間隔值，借助步履機(jī)豎向千斤頂?shù)闹饕饔脤⒅鲃?dòng)頂升力施加至主桁下弦桿結(jié)構(gòu)上，從而起到較好的帶動(dòng)鋼桁梁在軌道上運(yùn)行的效果。根據(jù)前述有限元分析結(jié)果，在3000kN 的頂升力作用于節(jié)間跨中時(shí)，下弦桿組合應(yīng)力達(dá)到Q370qE 鋼材應(yīng)力允許值的61.8%，符合受力穩(wěn)定要求。為此，應(yīng)將下弦桿所承受的主動(dòng)頂升力控制在3000kN 以?xún)?nèi)。

3.4 線形控制

鋼桁梁結(jié)構(gòu)整體剛度大，支點(diǎn)高程偏差對(duì)支反力影響大，根據(jù)模擬結(jié)果，邊支點(diǎn)和中支點(diǎn)高程偏差均為1cm 時(shí)，支反力變動(dòng)量可達(dá)到176kN 和1285kN。為此，必須在頂推施工期間，加強(qiáng)線形控制，保證結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定。

線形控制時(shí)，先確定出不同工況下各支點(diǎn)反力、梁底高程及抄墊高度，再以此為依據(jù)設(shè)定各頂推點(diǎn)泵站最大輸出壓力，將支反力控制在允許范圍內(nèi)。進(jìn)而依據(jù)梁底高程和抄墊高度，每頂推10m 均調(diào)整相應(yīng)節(jié)點(diǎn)墊塊的實(shí)際可能高度，以保證梁底實(shí)際高差不超出設(shè)計(jì)值。

隨著頂推施工過(guò)程的持續(xù)展開(kāi)，只要遇到頂推線形超出預(yù)警值的情形，必須借助步履機(jī)展開(kāi)偏差糾正，同時(shí)采取有效措施調(diào)整并優(yōu)化墊塊實(shí)際高度，從而將鋼桁梁頂推線形所對(duì)應(yīng)的可能偏差嚴(yán)格控制在5mm 以?xún)?nèi)，各支點(diǎn)反不超出20000kN，為結(jié)構(gòu)受力安全提供了保證。

4 施工過(guò)程受力分析

4.1 有限元模型

應(yīng)用MIDAS/Civil 有限元分析軟件構(gòu)建該三跨單片鋼桁梁實(shí)際截面的仿真模型，在滑塊支承點(diǎn)處設(shè)邊界條件，以約束豎向位移。分別對(duì)鋼桁梁最大懸臂狀態(tài)（工況1）和鋼桁梁非懸臂狀態(tài)（工況2）展開(kāi)計(jì)算。計(jì)算荷載包括：（1）結(jié)構(gòu)自重：以中桁重量加載；（2）臨時(shí)施工荷載：按照2.0kN/m的均布荷載考慮；（3）風(fēng)荷載：按照10 年一遇考慮，取8.52kN/m；（4）機(jī)械荷載：步履頂推施工過(guò)程中，計(jì)算出步履機(jī)豎向限壓荷載×0.3倍的具體取值，并按照該值展開(kāi)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)按照以下兩種工況展開(kāi)：結(jié)構(gòu)自重+臨時(shí)施工荷載+風(fēng)荷載（荷載組合A）；自重+臨時(shí)施工荷載+風(fēng)荷載+步履機(jī)荷載（荷載組合B）。

4.2 下弦桿受力

在兩種荷載組合下分析下弦桿在自重、風(fēng)荷載、施工荷載等綜合作用下可能的實(shí)際受力狀況，工況1 下以鋼桁梁前端懸臂支點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的下弦桿實(shí)際受力情況為重點(diǎn)分析對(duì)象；工況2 下則以鋼桁梁中間支點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的下弦桿設(shè)計(jì)受力情況為重點(diǎn)考慮對(duì)象[4]。

在尚未展開(kāi)步履機(jī)加載的情況下計(jì)算不同工況鋼桁梁桿件應(yīng)力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，鋼桁梁支承點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的連接斜桿側(cè)下弦桿應(yīng)力最大達(dá)到130MPa，Q370qE 鋼材的應(yīng)力允許值為220MPa，據(jù)此展開(kāi)下弦桿承載力使用率計(jì)算，結(jié)果匯總至表2。據(jù)此可知，對(duì)于荷載組合A 而言，支承點(diǎn)設(shè)置連接斜桿側(cè)下弦桿剩余承載力為41.3%，應(yīng)在此處布置限壓步履機(jī)。

表2 下弦桿承載能力使用率

在頂推施工的同時(shí)展開(kāi)步履機(jī)加載，也就是荷載組合B 時(shí)展開(kāi)兩種工況鋼桁梁桿件內(nèi)力計(jì)算。根據(jù)結(jié)果，頂推時(shí)施加步履機(jī)荷載后支承點(diǎn)無(wú)連接斜桿側(cè)下弦桿受力仍較大，再次表明，應(yīng)在支承點(diǎn)設(shè)置連接斜桿側(cè)布置限壓步履機(jī)。

在向步履機(jī)進(jìn)行試加載時(shí)，步履機(jī)豎向限壓達(dá)到6000kN 水平時(shí)，對(duì)應(yīng)的摩擦力取值為1800kN，步履機(jī)下弦桿應(yīng)力最大為190MPa，Q370qE 鋼材的允許應(yīng)力220MPa。所計(jì)算出的下弦桿承載力使用率見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，在步履機(jī)豎向力加載至6000kN 時(shí)，下弦桿承載力已經(jīng)使用86.5%，其承載力得到了較充分利用。這也說(shuō)明該橋梁限壓步履機(jī)布置合理，頂推時(shí)鋼桁梁桿件受力符合要求，結(jié)構(gòu)偏安全。

4.3 頂推水平力及支點(diǎn)承載力

根據(jù)頂推施工期間步履機(jī)豎向限壓，其所施加的頂推水平力根據(jù)豎向限壓值與步履機(jī)和下弦桿間的摩擦系數(shù)之積進(jìn)行計(jì)算，即6000kN×0.3=1800kN。在滑塊和滑道間采取潤(rùn)滑時(shí)，支點(diǎn)允許承載力按照頂推水平力與滑塊和滑道間摩擦系數(shù)之比確定，即1800kN/0.08=22500kN；6 臺(tái)450t 千斤頂頂升力為27000kN＞22500kN，表明該大橋鋼桁梁頂推豎向千斤頂布置合理。

根據(jù)以上分析過(guò)程看出，在步履機(jī)豎向限壓值既定的情況下，步履機(jī)和下弦桿間的摩擦系數(shù)、滑塊和滑道間摩擦系數(shù)之間相差越大，則支點(diǎn)允許承載力也越大，步履機(jī)頂推能力越強(qiáng)[5]。對(duì)于實(shí)際工程而言，應(yīng)將膠墊墊設(shè)于步履機(jī)頂部，使步履機(jī)和下弦桿間的摩擦系數(shù)增大；或是在滑道上采取粘貼聚四氟乙烯板、涂抹潤(rùn)滑油的方式，減小滑塊和滑道間摩擦系數(shù)。

5 結(jié)論

綜上所述，不帶加勁弦步履式頂推方案在結(jié)構(gòu)安全、質(zhì)量控制、工期、投資等方面均具有一定優(yōu)勢(shì)，在該方案下展開(kāi)跨河大橋鋼桁梁頂推施工，施工中，借助步履機(jī)水平輸出力與豎向頂升力協(xié)同控制技術(shù)及頂推線形控制技術(shù)，成功規(guī)避了步履機(jī)頂升過(guò)程中鋼桁梁節(jié)點(diǎn)受力穩(wěn)定難題。根據(jù)有限元分析結(jié)果，使用步履機(jī)頂推大噸位鋼桁梁的施工工效主要與兩個(gè)摩擦系數(shù)有關(guān)，通過(guò)增大兩個(gè)摩擦系數(shù)之差，可實(shí)現(xiàn)大噸位鋼桁梁頂推施工的工程目的。